CN103532151B - 一种变电站多侧电压无功协调优化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种变电站多侧电压无功协调优化控制系统，包括中压侧的可控电抗器MCR、低压侧的静止无功补偿装置MSVC、中低压母线及电压电流互感器，在中低压两侧母线和低压侧配置电容器组分别挂有虚拟气隙的可控电抗器，提供感性无功补偿，且在低压侧配置电容器组，实现感性至容性无功的连续调节，对变电站多侧电压无功协调优化综合控制，采用中压侧的可控电抗器MCR和低压侧的MCR型静止无功补偿装置MSVC进行协调优化控制。采用本发明的虚拟气隙可控电抗器能够实现可控电抗器的容量可调。

Description

一种变电站多侧电压无功协调优化控制系统

技术领域

本发明涉及一种变电站多侧电压无功协调优化控制系统，特别涉及一种基于虚拟气隙的可控电抗器，将虚拟气隙的可控电抗器分别直挂中低压两侧母线，提供感性无功补偿，且在低压侧配置电容器组，实现感性至容性无功的连续调节，对变电站多侧电压无功协调优化综合控制。

背景技术

电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及用电设备的安全和寿命，有重要的影响。无功优化是实现系统经济运行的要点，而电压和无功功率的调节具有紧密的联系。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，无功不足会引起电压偏低，反之会使得电压偏高，因此有效的电压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，还能提高电力系统运行的稳定性和安全性，获得较好的经济效益。

传统的变电站电压无功控制系统是对单侧的无功补偿装置进行控制，普遍采用调节变压器分接头、投切电容器组等。近年来，静止无功补偿装置SVC的应用实现了无功的连续平滑调节，达到了电压无功的动态自动补偿控制。据相关文献报道，静止无功补偿装置SVC由电容器组和可控电抗器组成，应用较广的晶闸管控制电抗器TCR由反向并联的晶闸管与电感串联，通过控制晶闸管开通角，调节电感电流，从而实现无功功率的连续调节。由于晶闸管两端为母线电压，受电力电子器件特性所限，仅用于35kV及以下电压等级。当反向并联晶闸管的实际触发角度存在控制偏差时，晶闸管控制电抗器TCR输出电流会含有直流分量，对电力变压器、互感器等电力设备的运行将产生危害。

另外，由于晶闸管控制电抗器TCR采用相控方式，产生的谐波不可忽视。为消除或抑制TCR的谐波电流多采用外部抑制法，如：①LC无源滤波器：价格高、重量大、占地大；②分组控制和多重化：结构复杂、控制繁琐。

目前应用较多的晶闸管控制电抗器TCR型SVC受电压等级和容量所限，不能直接接入高电压等级电网。大多仅以功率因数或是某个等级的电压或功率因数作为目标，控制目标相对单一，未能充分考虑系统的复杂性，难以实现较好的多目标优化控制。需要研究大容量、高电压等级、低谐波的动态无功补偿装置。

当SVC用于变电站时往往经由变压器的低压母线接入系统，在不同的系统运行方式和不同负荷水平下，SVC对于各侧的电压调节不一定同步，可能出现高压侧偏低而低压侧偏高或高压侧正常而低压侧偏低等复杂情况。

在高压配电网中，220kV变电站多采用三绕组变压器，如：220kV/110kV/10kV或220kV/110kV/35kV，有多个电压等级的线路。电压无功调节主要通过变压器高压侧分接头和低压侧无功补偿装置配合调节来实现。在这种方式下的主要缺点在于：一方面，很难应对各侧电压无功调节不一致的复杂情况，更难以同时兼顾各侧电压无功的精确控制；另一方面，通过低压侧的无功补偿装置来补偿中压侧的无功导致大量无功穿越变压器，造成电能损耗，影响变压器的经济运行和使用寿命。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种变电站多侧电压无功协调优化控制系统，采用中压侧的可控电抗器MCR和低压侧的可控电抗器MCR型静止无功补偿装置MSVC进行协调优化控制。

本发明采用的技术方案是：一种变电站多侧电压无功协调优化控制系统，该控制系统包括中压侧的可控电抗器MCR、低压侧的静止无功补偿装置MSVC、中低压母线及电压电流互感器，在中低压两侧母线和低压侧配置电容器组分别挂有虚拟气隙的可控电抗器。

所述虚拟气隙的可控电抗器是在原普通铁心电抗器的气隙中填入非线性铁磁材料，所述非线性铁磁材料为铸铁、硅钢片、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、坡莫合金以及纳米材料，通常选用其中多种材料，根据设计需要由多个一定截面和高度的柱体铁磁体段填入不同铁芯的空气气隙中，填入铁芯的空气气隙中非线性材料的量，主要指铁磁体段的面积和高度，这两个参数与不同铁芯的设计类似，满足整个铁芯的磁导率随控制量变化特性的要求即可，因此，非线性铁磁材料填入的量并不唯一确定，通过改变直流控制电流励磁产生的直流磁通，改变所填充的铁磁材料磁导率，该直流磁通与铁芯中的交流磁通同向叠加或抵消，随着填充的铁磁材料磁导率的改变，电抗值发生变化，实现虚拟气隙可控电抗器的容量可调，故又称为虚拟气隙可控电抗器。

所述虚拟气隙可控电抗器的绕组结构是边柱上对称地绕有两个线圈，上下两个线圈都有抽头，抽头之间接有可控硅T₁、T₂，不同铁心的上下两个绕组交叉连接后并联至电网，

当所述虚拟气隙可控电抗器并网运行时，可控硅T₁、T₂承受的电压仅为电网电压的1%，在电源电压的正、负半周轮流触发导通可控硅T1和T2，产生直流控制电流，使铁心虚拟气隙铁磁材料饱和，输出无功电流，可控电抗器输出电流标幺值大小取决于可控硅导通角度α，可控硅导通角越大，产生的控制电流越强，电抗器铁心虚拟气隙铁磁材料饱和程度越高，电抗器的输出无功电流越大。

所述虚拟气隙可控电抗器的铁芯结构采用谐波内部抑制机理设计，使输出的谐波电流比普通可控电抗器MCR更小。所述虚拟气隙可控电抗器结构与普通铁心电抗器十分类似，故可借鉴普通铁心电抗器成熟的制造工艺，使产品具有可靠性高，漏磁小，损耗低，谐波小等优点。

所述的变电站多侧电压无功协调优化控制系统的控制方法，包括如下步骤：

①将低压侧的可控电抗器MCR容量、电容器组各组容量配置、中压侧直挂可控电抗器MCR的容量和协调优化模型集录入协调控制器；

②根据主变分接头档位投切信息，变电站系统和主变压器运行方式，实时选择对应的协调优化阻抗模型。

③实时测量主变压器三侧母线、低压侧的静止无功补偿装置MSVC和中压侧的可控电抗器MCR的运行数据，优化计算主变分接头档位、中压侧的可控电抗器MCR和低压侧的静止无功补偿装置SVC的投入容量；

上述优化条件包括高中低压三侧母线电压水平，中低压侧功率因数和有功功率，遵循中压侧功率因数和低压侧母线电压水平优先的原则，再综合考虑各侧电压水平和功率因数，

④根据优化结果调节主变压器分接头档位，对两侧无功补偿装置采用双闭环控制，遵循协调优化阻抗模型的外环控制调节两侧的无功补偿装置，在确保中压侧参数不越限的前提下，低压侧的静止无功补偿装置MSVC采用自闭环控制。

所述的变电站多侧电压无功协调优化控制系统监测三侧母线电压、电流和无功功率，并控制多个装置。

附图说明

图1为虚拟气隙可控电抗器的绕组结构和控制特性曲线。

图2为本发明所述的变电站多侧电压无功协调优化控制系统框图。

图3为本发明所述的变电站多侧电压无功协调优化控制系统的优化控制流程图。

图4为中压侧的可控电抗器MCR和低压侧的静止无功补偿装置MSVC的控制原理图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1（a）所示，本发明提出的虚拟气隙可控电抗器结构，是在原普通铁心电抗器的气隙中填入非线性铁磁材料，通过一定的控制方式改变所填充的铁磁材料磁导率，我们把这些被铁磁材料填充部分称为虚拟气隙。随着填充的铁磁材料磁导率的改变，电抗值发生变化，实现虚拟气隙电抗器为容量可调，故又称为虚拟气隙可控电抗器。

如图1所示，虚拟气隙可控电抗器的绕组结构，是在边柱上对称地绕有两个线圈，上下两个线圈都有抽头，抽头之间接有可控硅T1、T2，不同铁心的上下两个绕组交叉连接后并联至电网。当电抗器并网运行时，可控硅T1、T2承受的电压仅为电网电压的1%。在电源电压的正、负半周轮流触发导通可控硅T1和T2，产生直流控制电流，使铁心虚拟气隙铁磁材料饱和，输出无功电流。可控电抗器输出电流标幺值大小取决于可控硅导通角度α，两者间的关系曲线如图1（b）所示。可控硅导通角越大，产生的控制电流越强，电抗器铁心虚拟气隙铁磁材料饱和程度越高，电抗器的输出无功电流越大。

针对谐波和损耗等技术指标要求，利用多级虚拟气隙优化技术，对可控电抗器的铁芯结构，即虚拟气隙，采用谐波内部抑制设计。对气隙的分段，每段截面的长度和面积的优化，利用特殊材料填充简化结构工艺设计。减小谐波和损耗主要在于优化铁芯磁化曲线，填充结构引起的边缘效应。

根据设计经验，虚拟气隙可控电抗器的各项指标可达总谐波含量不超过2.5%额定电流；快速响应速度，过渡过程时间不大于20ms～60ms；低损耗，额定输出容量下的有功损耗约为0.8%，而平均损耗约为0.5%。因此，这种结构能较好的满足系统控制要求，有较好的经济运行效益。

本发明提供的基于虚拟气隙可控电抗器的变电站多侧电压无功协调优化控制系统，对中压侧的可控电抗器MCR和低压侧的MCR型静止无功补偿装置MSVC进行协调优化控制。协调优化控制系统框图如图2所示，该系统主要包括数据监测处理、电压无功协调优化和无功补偿装置控制三个部分。

（1）系统数据监测处理

本系统中主变压器三侧母线的电压互感器和电流互感器，中压侧MCR和低压侧MSVC的电流互感器，检测相关电压和电流瞬时值。经由如公式1和公式2的Clarke变换，将三相电路各相电压电流瞬时值变换到α-β-0坐标系上，其中，u₀，i₀为零序电压和零序电流。

$\left[\begin{array}{c}{u}_0\\ u_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ 1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(1\right)$ $\left[\begin{array}{c}{i}_0\\ i_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ 1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

这种变换的优点是将零序电流从abc三相中分离出来，α、β对零序电流不做功。因此，在α-β-0坐标系中的瞬时零序功率p₀、瞬时有功功率p、瞬时无功功率q如公式3所示。

$\left[\begin{array}{c}p\\ q_{\mathrm{\α}}\\ q_{\mathrm{\β}}\\ q_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{u}_{\mathrm{\α}}& u_{\mathrm{\β}}& u_0\\ 0& {-u}_0& u_{\mathrm{\β}}\\ u_0& 0& {-u}_{\mathrm{\α}}\\ {-u}_{\mathrm{\β}}& u_{\mathrm{\α}}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\\ i_0\end{array}\right]\⇒\left\{\begin{array}{c}p=u_{\mathrm{\α}}\·i_{\mathrm{\α}}+u_{\mathrm{\β}}\·i_{\mathrm{\β}}\\ q=u_{\mathrm{\β}}\·i_{\mathrm{\α}}-u_{\mathrm{\α}}\·i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

基于变换到α-β-0坐标系中的电压和电流，得到变电站三侧母线的瞬时有功功率和无功功率，用于电压无功的快速协调优化。

（2）各侧电压无功协调优化

本发明的多侧电压无功协调优化控制系统是通过协调优化控制器，依据三侧母线电压、电流和无功功率进行协调优化，并控制主变高压分接头档位、中压侧MCR和低压侧MSVC。协调优化控制流程图如图4所示，具体步骤如下：

①将低压侧MCR容量、电容器组各组容量配置、中压侧直挂MCR的容量和协调优化模型集录入协调控制器；

②根据主变分接头档位投切信息，变电站系统和主变压器运行方式，实时选择对应的协调优化阻抗模型。

③实时测量主变压器三侧母线、低压侧MSVC和中压测MCR的运行数据，优化计算主变分接头档位、中压侧MCR和低压侧SVC的投入容量；

上述优化条件包括：高中低压三侧母线电压水平，中低压侧功率因数和有功功率。遵循中压侧功率因数和低压侧母线电压水平优先的原则，再综合考虑各侧电压水平和功率因数。

④针对运行方式进行优化，调节主变压器分接头档位，对两侧无功补偿装置采用双闭环控制，遵循协调优化阻抗模型的外环控制调节两侧的无功补偿装置，在确保中压侧参数不越限的前提下，低压侧MSVC采用自闭环控制。

变电站电压无功协调优化阻抗简化模型是按铭牌参数计算主变压器运行等效模型，根据不同运行方式下的各侧短路阻抗，对变电站协调优化模型进行修正而得的协调优化模型如公式4所示。重复上述步骤，可得不同运行方式下的多个协调优化阻抗模型，组成模型集，简称“协调优化模型集”。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔU}}_{220\mathrm{kV}}=-\frac{({\mathrm{\ΔQ}}_{110\mathrm{kV}}+{\mathrm{\ΔQ}}_{10\mathrm{kV}})X_S^{\′}}{U_n}+\mathrm{\α}\\ {\mathrm{\ΔU}}_{110\mathrm{kV}}=-\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{110\mathrm{kV}}(X_S^{\′}+X_1^{\′}+X_2^{\′})+{\mathrm{\ΔQ}}_{10\mathrm{kV}}(X_S^{\′}+X_1^{\′})}{U_n}+\mathrm{\β}\\ {\mathrm{\ΔU}}_{10\mathrm{kV}}=-\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{110\mathrm{kV}}(X_S^{\′}+X_1^{\′})+{\mathrm{\ΔQ}}_{10\mathrm{kV}}(X_S^{\′}+X_1^{\′}+X_3^{\′})}{U_n}+\mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，X'_S为高压侧系统短路阻抗，X'₁、X'₂、X'₃分别为变压器高中低压侧绕组等值阻抗，ΔU_220kV、ΔU_110kV、ΔU_10kV分别为变压器高中低压侧电压变化量，ΔQ_110kV、ΔQ_10kV分别为中低压侧无功投入容量，U_n为高压侧母线电压。常数项α、β、γ，在实际调试时得到，用于校正无功电压调节中存在的固定电压偏差。

以功率因数为优化目标则需要功率因数与补偿容量之间的关系，以短时间负荷有功功率P不变为前提，补偿前后的功率因数cosα和cosβ与所需无功补偿容量ΔQ之间的关系如公式5所示。

$\mathrm{\ΔQ}=P[\sqrt{\frac{1}{{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^2}-1}-\sqrt{\frac{1}{{\left(\cos \mathrm{\β}\right)}^2}-1}]---\left(5\right)$

（3）控制各侧无功补偿装置

根据实测运行数据，判断变电站的运行方式，选择对应的协调优化模型并进行无功补偿容量优化。按优化结果，调节主变压器分接头档位，并对两侧无功补偿装置采用双闭环控制，遵循协调优化阻抗模型的外环控制调节两侧的无功补偿装置，在确保中压侧参数不越限的前提下，低压侧MSVC采用自闭环控制。

低压侧静止无功补偿装置（MSVC）由机械开关投切电容器或晶闸管投切电容器组和磁控电抗器MCR组成。如图2所示，多组电容器组FC共同从电网输入基波容性电流ΣI_{10kV_Cn}，MCR从电网输入感性电流I_{10kV_L}，整个无功补偿器SVC向电网输出的感性无功补偿电流I_{10kV_SVC}=ΣI_{10kV_Cn}-I_{10kV_L}。适当地选定电容器组的投入或切除的数目，即投入或切除电容器组中的一个或几个，同时调控MCR的触发延迟角，即实现MSVC向电网输出的无功补偿容量由容性到感性的连续调节。

如图4所示为中压侧MCR和低压侧MSVC的控制原理图。根据优化结果要求低压侧MSVC输出的无功功率指令Q_{10kV_SVCref}与实时检测的SVC输出的无功功率Q_{10kV_SVC}相减，将其差值ΔQ_{10kV_SVC}送入无功调节器AQR，其输出作为SVC的输出无功电流指令I_{10kV_SVCref}。由TSC电流计算环节给出SVC中TSC应输入的容性电流或应输出的感性电流ΣI_{10kV_Cn}，确定需要投切的电容器组并发出投切驱动信号。ΣI_{10kV_Cn}与I_{10kV_SVCref}之差就是MCR的感性电流指令值I_{10kV_Lref}，再由MCR的电流指令值I_{10kV_Lref}根据控制特性曲线，计算出MCR晶闸管触发延迟角α，形成MCR晶闸管触发脉冲信号对晶闸管进行相控，产生相应的I_{10kV_L}，使SVC输出的无功Q_{10kV_SVC}跟踪指令值Q_{10kV_SVCref}。

中压侧MCR的控制原理同中压侧MSVC中的MCR，根据优化结果要求输出的无功功率指令Q_{110kV_MCRref}与实时MCR输出的无功功率Q_{110kV_MCR}相减，将其差值ΔQ_{110kV_MCR}转换为MCR的感性电流指令值I_{110kV_MCRref}。再由控制特性曲线，计算出MCR晶闸管触发延迟角α，形成MCR晶闸管触发脉冲信号对晶闸管进行相控，使MCR输出的无功Q_{110kV_MCR}跟踪指令值Q_{110kV_MCRref}。

遵循协调优化阻抗模型的外环控制调节两侧的无功补偿装置，在确保中压侧参数不越限的前提下，低压侧MSVC采用自闭环控制。

Claims (1)

1.一种变电站多侧电压无功协调优化控制系统的控制方法，其特征在于，该控制系统包括中压侧的可控电抗器MCR、低压侧的静止无功补偿装置MSVC、中低压母线及电压电流互感器、协调优化控制器，在中低压两侧母线和低压侧配置电容器组分别挂有虚拟气隙的可控电抗器，多侧电压无功协调优化控制系统是通过协调优化控制器，依据三侧母线电压、电流和无功功率进行协调优化，并控制主变分接头档位、中压侧MCR和低压侧MSVC，

该控制方法包括如下步骤：

①将低压侧的可控电抗器MCR容量、电容器组各组容量配置、中压侧的可控电抗器MCR的容量和协调优化模型集录入协调优化控制器；

②根据主变分接头档位投切信息，变电站系统和主变压器运行方式，实时选择对应的协调优化阻抗模型；

③实时测量主变压器三侧母线、低压侧的静止无功补偿装置MSVC和中压测的可控电抗器MCR的运行数据，优化计算主变分接头档位、中压侧的可控电抗器MCR和低压侧的静止无功补偿装置SVC的投入容量；

优化条件包括高中低压三侧母线电压水平，中低压侧功率因数和有功功率，遵循中压侧功率因数和低压侧母线电压水平优先的原则，再综合考虑各侧电压水平和功率因数；

④根据优化结果调节主变分接头档位，对两侧无功补偿装置采用双闭环控制，遵循协调优化阻抗模型的外环控制调节两侧的无功补偿装置，在确保中压侧参数不越限的前提下，低压侧MSVC采用自闭环控制。